Hiilivedyt ovat orgaanisia kemiallisia yhdisteitä, jotka koostuvat kokonaan hiilestä ja vedystä ja vaihtelevat yksinkertaisista molekyyleistä, kuten metaanista, polymeereihin, kuten polystyreeniin, joka koostuu tuhansista atomeista. Hiiliatomien kyky sitoutua voimakkaasti toisiinsa mahdollistaa niiden muodostavan lähes rajattoman valikoiman ketjuja, renkaita ja muita rakenteita, jotka muodostavat orgaanisten molekyylien selkärangan. Koska jokainen atomi voi muodostaa neljä sidosta, nämä rungot sisältävät muita elementtejä, kuten vetyä. Yhdisteet ovat tulenarkoja, koska niiden sisältämät kaksi elementtiä yhdistyvät helposti ilman hapen kanssa ja vapauttavat energiaa. Fossiiliset polttoaineet, kuten öljy ja maakaasu, ovat luonnossa esiintyviä hiilivetyseoksia; hiili sisältää myös jonkin verran, vaikka se on enimmäkseen vain hiiltä.
Rakenne ja nimeämistavat
Hiilivetyjen nimeäminen noudattaa tiettyjä käytäntöjä, vaikka monissa tapauksissa yhdisteet voivat olla paremmin tunnettuja vanhemmilla nimillä. Nykyaikaisessa järjestelmässä nimen ensimmäinen osa edustaa molekyylin hiiliatomien määrää: nousevassa järjestyksessä kahdeksan ensimmäistä ovat etuliitteitä met-, et-, prop-, but-, pent-, hex-, hept- ja loka-. Yhdisteet, joissa kaikki hiilit on liitetty yksittäisillä sidoksilla, tunnetaan yhdessä alkaanina, ja niiden nimet päättyvät –ane. Siksi ensimmäiset kahdeksan alkaania ovat metaani, etaani, propaani, butaani, pentaani, heksaani, heptaani ja oktaani.
Hiiliatomit voivat myös muodostaa kaksois- tai kolmoissidoksia keskenään. Molekyylejä, joissa on kaksoissidokset, kutsutaan alkeeneiksi, ja niiden nimet päättyvät –ene, kun taas kolmoissidosten molekyylejä kutsutaan alkyyneiksi ja niiden nimet päättyvät -yne. Molekyylit, joissa on vain yksittäisiä sidoksia, sisältävät suurimman mahdollisen määrän vetyatomeja, ja siksi niitä kuvataan tyydyttyneiksi. Siellä, missä on kaksois- tai kolmoissidoksia, on vähemmän paikkoja vedylle, joten näitä yhdisteitä kuvataan tyydyttymättömiksi.
Yksinkertaisen esimerkin vuoksi etaanissa on kaksi hiiltä, jotka on liitetty yhdellä sidoksella, jolloin jokainen kykenee sitoutumaan kolmeen vetyatomiin, joten sen kemiallinen kaava on C2H6 ja se on alkaani. Eteenissä on hiili-hiili kaksoissidos, joten siinä voi olla vain neljä vetyä, mikä tekee siitä alkeenin, jolla on kaava C2H4. Eteenillä on kolmoissidos, joka antaa sille kaavan C2H2 ja tekee siitä alkyynin. Tämä yhdiste tunnetaan paremmin nimellä asetyleeni.
Hiiliatomit voivat myös muodostaa renkaita. Renkaiden alkaanien nimet alkavat syklo-. Siksi sykloheksaani on alkaani, jossa on kuusi hiiliatomia ja jotka on liitetty yksittäisillä sidoksilla siten, että ne muodostavat renkaan. Rengas, jossa on vuorottelevat yksi- ja kaksoissidokset, on myös mahdollinen, ja se tunnetaan bentseenirenkaana. Bentseenirengasta sisältävät hiilivedyt tunnetaan aromaattisina, koska monet niistä ovat miellyttävän tuoksuisia.
Joillakin hiilivetymolekyyleillä on ketjuja, jotka haarautuvat. Butaani, joka yleensä koostuu yhdestä ketjusta, voi esiintyä muodossa, jossa yksi hiiliatomi on sitoutunut kahteen muuhun muodostaen haaran. Nämä molekyylin vaihtoehtoiset muodot tunnetaan isomeereinä. Butaanin haarautunut isomeeri tunnetaan nimellä isobutaani.
tuotanto
Suurin osa hiilivetyjen tuotannosta on peräisin fossiilisista polttoaineista: hiilestä, öljystä ja maakaasusta, joita louhitaan maaperästä miljoonia tonneja päivässä. Raakaöljy on enimmäkseen useiden eri alkaanien ja sykloalkaanien seos, jossa on joitain aromaattisia yhdisteitä. Ne voidaan erottaa toisistaan öljynjalostamoissa tislaamalla niiden eri kiehumispisteiden vuoksi. Toinen menetelmä, jota käytetään, tunnetaan nimellä “krakkaus”: katalyyttejä käytetään hajottamaan suurempia molekyylejä pienemmiksi, jotka ovat käyttökelpoisempia polttoaineina.
ominaisuudet
Yleisesti ottaen mitä monimutkaisempi hiilivety on, sitä korkeammat sen sulamis- ja kiehumispisteet ovat. Esimerkiksi yksinkertaisemmat tyypit, kuten metaani, etaani ja propaani, joissa on yksi, kaksi ja kolme hiiltä, ovat kaasuja. Monet muodot ovat nesteitä: esimerkkejä ovat heksaani ja oktaani. Kiinteitä muotoja ovat parafiinivaha – molekyylien seos, jossa on 20–XNUMX hiiliatomia – ja erilaiset polymeerit, jotka koostuvat tuhansien atomien ketjuista, kuten polyeteeni.
Hiilivetyjen merkittävimmät kemialliset ominaisuudet ovat niiden syttyvyys ja kyky muodostaa polymeerejä. Ne, jotka ovat kaasuja tai nesteitä, reagoivat ilman hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia (CO2) ja vettä ja vapauttaen energiaa valon ja lämmön muodossa. Reaktion käynnistämiseksi on syötettävä jonkin verran energiaa, mutta kun se on käynnistetty, se ylläpitää itseään: nämä yhdisteet palavat, kuten valaisee kaasulieden tulitikulla tai kipinällä. Myös kiinteät muodot palavat, mutta vähemmän helposti. Joissakin tapauksissa kaikki hiili ei muodosta hiilidioksidia; Jotkut tyypit voivat tuottaa nokia ja savua palaessaan ilmassa, ja jos happea ei ole riittävästi, mikä tahansa hiilivety voi tuottaa myrkyllistä, hajutonta kaasua, hiilimonoksidia (CO).
käytät
Hiilivetyjen syttyvyys tekee niistä erittäin hyödyllisiä polttoaineina, ja ne ovat nykypäivän sivilisaation ensisijainen energianlähde. Maailmanlaajuisesti suurin osa sähköstä syntyy näiden yhdisteiden polttamisesta, ja niitä käytetään käytännössä jokaisen liikkuvan koneen kuljettamiseen: henkilöautot, kuorma -autot, junat, lentokoneet ja alukset. Niitä käytetään myös monien muiden kemikaalien ja materiaalien valmistuksessa. Useimmat muovit ovat esimerkiksi hiilivetypolymeerejä. Muita käyttötarkoituksia ovat liuottimet, voiteluaineet ja aerosolisäiliöiden ponneaineet.
Ongelmia fossiilisten polttoaineiden kanssa
Hiilivedyt ovat olleet erittäin menestyksekäs polttoaineen lähde noin viimeiset kaksisataa vuotta, mutta niiden käyttöä pyritään vähentämään yhä enemmän. Niiden palaminen tuottaa savua ja nokea aiheuttaen vakavia saastumisongelmia joillakin alueilla. Se tuottaa myös suuria määriä hiilidioksidia. Tiedemiehet ovat yleisesti samaa mieltä siitä, että tämän kaasun lisääntyminen ilmakehässä auttaa vangitsemaan lämpöä, nostamaan maapallon lämpötiloja ja muuttamaan maapallon ilmastoa.
Lisäksi fossiiliset polttoaineet eivät kestä ikuisesti. Polttamalla polttoainetta nykyisellä nopeudella öljy voi loppua alle vuosisadassa ja hiili useiden vuosisatojen aikana. Kaikki tämä on johtanut kehotuksiin kehittää uusiutuvia energialähteitä, kuten aurinko- ja tuulivoimaa, ja rakentamaan lisää ydinvoimaloita, jotka tuottavat nolla hiilidioksidipäästöjä. Vuonna 2 Nobelin rauhanpalkinto myönnettiin Yhdysvaltain entiselle varapresidentille Al Gorelle ja YK: n hallitustenväliselle ilmastonmuutospaneelille heidän työstään vahvistaessaan ja levittäessään viestiä siitä, että hiilivetyjen polttaminen on suurelta osin vastuussa ilmaston lämpenemisestä.